Circuit de convertisseur de suralimentation à cellule unique utilisant une pile bouton - sortie 5V

Les cellules de batterie sont la source d'énergie la plus couramment utilisée pour alimenter l'électronique portable. Qu'il s'agisse d'un simple réveil, d'un nœud de capteur IoT ou d'un téléphone mobile complexe, tout est alimenté par des piles. Dans la plupart des cas, ces appareils portables doivent avoir un petit facteur de forme (taille de l'emballage) et sont donc alimentés par une batterie à une seule cellule, comme la populaire cellule au lithium CR2032 ou les autres cellules au lithium polymère de 3,7 V ou 18650. Ces cellules regorgent d'énergie pour leur taille, mais un inconvénient courant de ces cellules est leur tension de fonctionnement. Une batterie au lithium typique a une tension nominale de 3,7 V, mais cette tension peut descendre aussi bas que 2,8 V lorsqu'elle est complètement déchargée et aussi élevée que 4,2 V lorsqu'elle est complètement chargée, ce qui n'est pas très souhaitable pour nos conceptions électroniques qui fonctionnent soit avec 3,3 régulés. V ou 5V comme tension de fonctionnement.

Cela entraîne le besoin d'un convertisseur élévateur qui peut prendre cette variable de 2,8 V à 4,2 V comme tension d'entrée et la réguler à 3,3 V ou 5 V. constants. Heureusement, il existe un circuit intégré appelé BL8530 qui fait exactement la même chose avec un minimum de composants externes. Ainsi, dans ce projet, nous allons construire un circuit booster 5V à faible coût qui fournit une tension de sortie régulée constante de 5V à partir d'une pile bouton CR2032; nous allons également concevoir un PCB compact pour ce convertisseur boost afin qu'il puisse être utilisé dans tous nos futurs projets portables. Le courant de sortie maximal du convertisseur élévateur sera de 200 mAce qui est assez bon pour alimenter les microcontrôleurs et les capteurs de base. Un autre avantage de ce circuit est que, si votre projet nécessite un 3,3 V régulé au lieu de 5 V, le même circuit peut également être utilisé pour réguler 3,3 V en échangeant simplement un composant. Ce circuit peut également fonctionner comme Power Bank pour alimenter de petites cartes comme Arduino, STM32, MSP430, etc.

Matériaux nécessaires

BL8530-5V Booster IC (SOT89)
Inducteur 47uH (5 mm SMD)
Diode SS14 (SMD)
Condensateur au tantale 1000uF 16V (SMD)
Porte-pile bouton
Connecteur femelle USB

Considérations relatives à la conception du convertisseur Boost à cellule unique

Les exigences de conception d'un convertisseur Boost à cellule unique seront différentes de celles d'un convertisseur Boost ordinaire. En effet, ici, l'énergie d'une batterie (pile bouton) est augmentée en tension de sortie pour que notre appareil fonctionne. Il faut donc veiller à ce que le circuit d'appoint utilise le maximum de la batterie avec une efficacité élevée pour maintenir l'appareil sous tension le plus longtemps possible. Lors de la sélection du circuit intégré d'appoint pour vos conceptions, vous pouvez prendre en compte les quatre paramètres suivants. Vous pouvez également lire l'article sur la conception du régulateur Boost pour en savoir plus.

Tension de démarrage: Il s'agit de la tension d'entrée minimale requise de la batterie pour que le convertisseur élévateur commence à fonctionner. Lorsque vous allumez le convertisseur élévateur, la batterie doit au moins être en mesure de fournir cette tension de démarrage pour que votre amplificateur fonctionne. Dans notre conception, la tension de démarrage requise est de 0,8 V en dessous de toute tension de pile bouton complètement déchargée.

Tension de maintien: une fois que l'appareil est alimenté par votre circuit de suralimentation, la tension de la batterie commence à baisser car elle donne de l'énergie. La tension jusqu'à laquelle un circuit intégré d'appoint maintiendra ses performances est appelée tension de maintien. En dessous de cette tension, l'IC arrêtera de fonctionner et nous n'obtiendrons aucune tension de sortie. Notez que la tension de maintien sera toujours inférieure à la tension de démarrage. C'est-à-dire que le circuit intégré nécessitera plus de tension pour commencer son fonctionnement et pendant son état de fonctionnement, il peut vider la batterie bien en dessous. La tension de maintien dans notre circuit est de 0,7 V.

Courant de repos: La quantité de courant utilisée par notre circuit de surpression (gaspillage) même lorsqu'aucune charge n'est connectée du côté sortie est appelée courant de repos. Cette valeur doit être aussi faible que possible, pour notre circuit intégré, la valeur du courant de repos est comprise entre 4uA et 7uA. Il est très important que cette valeur soit basse ou nulle si l'appareil ne va pas être connecté à la charge pendant une longue période.

Résistance à l'état passant : tout circuit de convertisseur élévateur impliquera un dispositif de commutation tel qu'un MOSFET ou d'autres FET. Si nous utilisons un convertisseur IC, ce dispositif de commutation sera intégré à l'intérieur du IC. Il est important que cet interrupteur ait une résistance à l'état passant très faible. Par exemple, dans notre conception ici, l'IC BL8530 a un interrupteur interne avec une résistance à l'état passant de 0,4 Ω, ce qui est une valeur décente. Cette résistance fera chuter une tension aux bornes du commutateur en fonction du courant qui le traverse (loi d'Ohm), diminuant ainsi l'efficacité du module.

Il existe de nombreuses façons d'augmenter la tension, certaines d'entre elles sont présentées dans notre série de circuits de chargeur ici.

Schéma

Le schéma de circuit complet du circuit booster 5V est illustré ci-dessous, le schéma a été dessiné à l'aide d'EasyEDA.

Comme vous pouvez le voir, le circuit nécessite des composants très minimes puisque tout le travail acharné est tiré par le circuit intégré BL8530. Il existe de nombreuses versions de BL8530 IC, celle utilisée ici «BL8530-50» où 50 représente la tension de sortie 5V. De même, l'IC BL8530-33 aura une tension de sortie de 3,3 V, donc en remplaçant simplement cet IC, nous pouvons obtenir la tension de sortie requise. Il existe des versions 2.5V, 3V, 4.2V, 5V et même 6V de ce circuit intégré disponibles sur le marché. Dans ce tutoriel, nous nous concentrerons sur la version 5V. L'IC ne nécessite qu'un condensateur, une inductance et une diode pour fonctionner, voyons comment sélectionner les composants.

Sélection des composants

Inductance: Le choix disponible de la valeur d'inductance pour ce circuit intégré est de 3uH à 1mH. L'utilisation d'une valeur d'inductance élevée fournira un courant de sortie élevé et un rendement élevé. Cependant, l'inconvénient est qu'il nécessite une tension d'entrée élevée de la cellule pour fonctionner, donc l'utilisation d'une valeur d'inductance élevée peut ne pas faire fonctionner le circuit de suralimentation tant que la batterie n'est pas complètement déchargée. Par conséquent, un compromis doit être fait entre le courant de sortie et le courant d'entrée minimum dans la conception. Ici, j'ai utilisé une valeur de 47uH car j'ai besoin d'un courant de sortie élevé, vous pouvez réduire cette valeur si votre courant de charge sera inférieur à votre conception. Il est également important de sélectionner un inducteur avec une faible valeur ESR pour un rendement élevé de votre conception.

Condensateur de sortie: La valeur autorisée du condensateur est de 47uF à 220uF. La fonction de ce condensateur de sortie est de filtrer les ondulations de sortie. La valeur de ceci doit être décidée en fonction de la nature de la charge. S'il s'agit d'une charge inductive, un condensateur de haute valeur est recommandé pour les charges résistives comme pour les microcontrôleurs ou la plupart des capteurs, un condensateur de faible valeur fonctionnera. L'inconvénient d'utiliser un condensateur de grande valeur est un coût accru et il ralentit également le système. Ici, j'ai utilisé un condensateur au tantale de 100 uF, car les condensateurs au tantale sont meilleurs en contrôle d'ondulation que les condensateurs en céramique.

Diode: La seule considération avec la diode est qu'elle doit avoir une chute de tension très basse. On sait que les diodes Schottky ont de faibles chutes de tension directe par rapport aux diodes de redressement normales. Par conséquent, nous avons utilisé la diode SMD SS14D qui a une chute de tension directe inférieure à 0,2 V.

Condensateur d'entrée: semblable au condensateur de sortie, un condensateur d'entrée peut être utilisé pour contrôler les tensions d'ondulation avant d'entrer dans le circuit de suralimentation. Mais ici, puisque nous utilisons la batterie comme sources de tension, nous n'aurons pas besoin d'un condensateur d'entrée pour le contrôle de l'ondulation. Parce que les batteries, par nature, fournissent une tension continue pure sans aucune ondulation.

Les autres composants ne sont que des auxiliaires. Le support de batterie est utilisé pour contenir la pile bouton et le port UCB est fourni pour connecter les câbles USB directement à notre module de suralimentation afin que nous puissions facilement alimenter les cartes de développement courantes comme Arduino, ESP8266, ESP32, etc.

Conception et fabrication de circuits imprimés avec Easy EDA

Maintenant que le circuit du convertisseur d'appoint de pile bouton est prêt, il est temps de le fabriquer. Étant donné que tous les composants ici ne sont disponibles qu'en boîtier SMD, j'ai dû fabriquer un PCB pour mon circuit. Donc, comme toujours, nous avons utilisé l'outil EDA en ligne appelé EasyEDA pour fabriquer notre PCB car il est très pratique à utiliser car il a une bonne collection d'empreintes et il est open-source.

Après avoir conçu le PCB, nous pouvons commander les échantillons de PCB par leurs services de fabrication de PCB à faible coût. Ils offrent également un service d'approvisionnement en composants où ils ont un grand stock de composants électroniques et les utilisateurs peuvent commander les composants nécessaires avec la commande de PCB.

Lors de la conception de vos circuits et PCB, vous pouvez également rendre publics vos conceptions de circuits et de PCB afin que d'autres utilisateurs puissent les copier ou les modifier et profiter de votre travail, nous avons également rendu public l'ensemble de nos schémas de circuits et de PCB pour ce circuit, vérifiez le lien ci-dessous:

easyeda.com/CircuitDigest/Single-Cell-Boost-Converter

Vous pouvez afficher n'importe quelle couche (Haut, Bas, Topsilk, Bottomsilk, etc.) du PCB en sélectionnant le calque dans la fenêtre «Couches». Récemment, ils ont également introduit une option de vue 3D afin que vous puissiez également afficher le PCB de mesure de tension multicellulaire, sur son apparence après la fabrication à l'aide du bouton Vue 3D dans EasyEDA:

Calcul et commande d'échantillons en ligne

Après avoir terminé la conception de ce circuit amplificateur de pile bouton 5V, vous pouvez commander le PCB via JLCPCB.com. Pour commander le PCB auprès de JLCPCB, vous avez besoin du fichier Gerber. Pour télécharger les fichiers Gerber de votre PCB, cliquez simplement sur le bouton Générer un fichier de fabrication sur la page de l'éditeur EasyEDA, puis téléchargez le fichier Gerber à partir de là ou vous pouvez cliquer sur Commander à JLCPCB comme indiqué dans l'image ci-dessous. Cela vous redirigera vers JLCPCB.com, où vous pourrez sélectionner le nombre de PCB que vous souhaitez commander, le nombre de couches de cuivre dont vous avez besoin, l'épaisseur du PCB, le poids du cuivre et même la couleur du PCB, comme l'image ci-dessous. Une autre bonne nouvelle est que vous pouvez désormais obtenir tous les circuits imprimés couleur au même prix auprès de JLCPCB. J'ai donc décidé de me procurer le mien en couleur noire juste pour un look esthétique, vous pouvez choisir votre couleur préférée.

Après avoir cliqué sur le bouton commander sur le bouton JLCPCB, il vous mènera au site Web JLCPCB où vous pouvez commander n'importe quel PCB couleur à un prix très bas, qui est de 2 $ pour toutes les couleurs. Leur temps de construction est également très inférieur, soit 48 heures avec une livraison DHL de 3 à 5 jours.En gros, vous obtiendrez vos circuits imprimés dans la semaine suivant la commande. De plus, ils offrent également un rabais de 20 $ sur l'expédition pour votre première commande.

Après avoir commandé le PCB, vous pouvez vérifier la progression de la production de votre PCB avec la date et l'heure. Vous le vérifiez en allant sur la page Compte et en cliquant sur le lien "Progression de la production" sous le PCB comme indiqué dans l'image ci-dessous.

Après quelques jours de commande de PCB, j'ai reçu les échantillons de PCB dans un bel emballage comme le montrent les images ci-dessous.

Préparation du PCB Boost Converter

Comme vous pouvez le voir sur les images ci-dessus, la carte était en très bon état avec toutes les empreintes et vias en place à la taille exacte requise. J'ai donc procédé à la soudure de tous les composants SMD de la carte, puis de ceux traversants. En quelques minutes, mon PCB est prêt pour l'action. Ma carte avec tous les composants soudés et la pile bouton est illustrée ci-dessous

Test du module d'appoint de pile bouton

Maintenant que notre module est prêt et alimenté, nous pouvons commencer à le tester. La sortie 5V augmentée de la carte peut être obtenue à partir du port USB ou via la broche d'en-tête mâle à proximité. J'ai utilisé mon multimètre pour mesurer la tension de sortie et comme vous pouvez le voir, elle était proche de 5V. Par conséquent, nous pouvons conclure que notre module de boost fonctionne correctement.

Ce module peut désormais être utilisé pour alimenter des cartes microcontrôleurs ou pour alimenter d'autres petits capteurs ou circuits. Gardez à l'esprit que le courant maximal qu'il peut fournir n'est que de 200 mA, alors ne vous attendez pas à ce qu'il entraîne de lourdes charges. Cependant, j'étais satisfait d'alimenter mes cartes Arduino et mes cartes ESP avec ce petit module compact. Les images ci-dessous montrent le convertisseur boost alimentant Arduino et STM.

Tout comme le précédent module d'alimentation de la maquette, ce module amplificateur de pile bouton sera également ajouté à mon inventaire afin que je puisse les utiliser dans tous mes projets futurs partout où j'ai besoin d'une source d'alimentation compacte portable. J'espère que vous avez aimé le projet et appris quelque chose d'utile dans le processus de construction de ce module. Le travail complet peut être trouvé dans la vidéo ci-dessous.

Si vous rencontrez des problèmes pour faire fonctionner les choses, n'hésitez pas à les déposer dans la section des commentaires ou à utiliser nos forums pour d'autres questions techniques.